針對機械防泄漏面狀態的研究

白金花 李科泉 王慶彬

摘 要：經過實驗探究可以知道，機械密封持續工作的時間長短是由機械防泄漏面狀態決定的。我將機械防泄漏面摩擦從不同于以往的角度分析，得到了它在不同摩擦狀態下的工作情況，并且學會根據機械防泄漏性能高低的需求判斷它處于哪種摩擦狀態。

關鍵詞：機械密封性能；摩擦狀態

1、簡述機械防泄漏面機制的內涵及原理：

不同摩擦狀態下的摩擦機制的組成是不同的：固體和邊界膜摩擦力組成了邊界摩擦狀態；流體內摩擦狀態是流體摩擦狀態的重要組成部分；而由固體、邊界膜摩擦力、流體內摩擦狀態三大部分組成的摩擦狀態是混合摩擦狀態。

從微觀角度觀察機械防泄漏面機制，可以觀察出防泄漏面的表面是一層平滑的薄膜，閉合力是由彈力和壓力共同構成的，載荷與表面膜的微凸體的尖峰接觸，閉合力超出一定范圍，那么尖峰就會略過表面膜與固體直接碰觸，如果密封端面中薄膜間的間距較小，那么微凸體之間的空腔是間斷的，所謂的邊界摩擦狀態的實質是閉合力直接作用在固體和表面膜之間。當流體的動力和靜力在閉合力的基礎上從被端面表面膜間厚度增大的微凸空腔上開始作用時，微凸空腔間開始大面積連續，而不再間斷，所謂的混合摩擦狀態就是指上述三力作用于表面膜、固體以及流體。當閉合力與流體動、靜這二力的合力都均衡時，那么微凸體的表面膜就不再受任何載荷的接觸，微凸空腔連成一片，所謂的流體摩擦狀態就是指微凸體不需要承受負重。三種狀態下的磨損量、摩擦因數以及法向載荷都呈正相關。

2、 分析四種摩擦狀態下的摩擦性能：

（1）邊界摩擦狀態：對于該種狀態而言，邊界膜是核心及關鍵，邊界膜是一種液態膜，其是由一種流體分子融接出來的，但是在這中間卻并沒有所謂的液體壓力，是因為流體膜間的厚度普遍偏低，使得微凸空腔中的很多片段都沒有連接起來，一些部分直接與固體碰觸。本身邊界膜的光滑度決定了邊界摩擦性能的優劣，而與其所謂的粘連度毫無關系。流體交換流動理論是在邊界摩擦狀態學說下建立的，液體滲透到密封面上是通過單個的空隙，空隙在密封面上呈大面積地凹陷，而且這些空隙都是粗糙不光滑的，在空隙和凹槽間交換的液體是在剩下的壓力和向心力的作用下運轉的。

（2）干摩擦狀態：由固體間的接觸程度直接來評判摩擦好壞，在整個過程中，絲毫不存在流體膜的作用。配合材料的好壞直接決定了固體與固體之間的磨損度。若在摩擦過程中，其接觸面有氣體和氧化性的固體物質，則其會造成更大程度的破損，影響性能。

（3）流體摩擦狀態：穩定潤滑膜和滑動軸承一樣，都可以使滑動面分開，不能夠在機械密封端面內直接觸碰。這種摩擦的大小明顯低于固體之間的摩擦，流體摩擦中也不存在固體摩擦，它產生于具備粘度的流體的運轉，與邊界摩擦狀態不同的是，此種摩擦的大小與潤滑劑的動力粘度是有關的，當然是在完全流體摩擦的情況下才會成立。在很長時間內，許多研究者都前仆后繼地探討潤滑膜能否在空隙中長時間存留，其實機械密封端面的空隙大小與潤滑膜的凹陷厚度是差不多的，我們用儀器研究膜的形成過程及用精準的儀器來測量膜的某些基本參數，但我們在這個過程中，卻發現了流體的一些特殊形式的密封。

（4）混合摩擦狀態：混合摩擦狀態是在一種特定的接觸下，卻還蘊藏著多種摩擦狀態，這主要是由于防泄漏端面厚度的逐漸縮小。在之前就已經談到：防泄漏端面的接觸面在一定范圍內是凹凸不平的，而液膜是相當薄的，機械防泄漏的好壞其實和表面膜的高頻、低頻粗糙度有關，其實較三種摩擦狀態而言，混合摩擦更為常見，讓前三種基本的摩擦狀態兩兩組合，多者混搭，有很多迥異的情況。

3、根據性能需求判斷機械防泄漏面狀態的一些方法：

（1）根據潤滑膜的深度來比較：機械防泄漏面的摩擦狀態及性能優劣是與一定的潤滑膜的深度相對應的。端面綜合粗糙度是一個穩定的值，這個值作為標準值基本不變。所以我們常用潤滑膜的深度與端面的粗糙度商值來作為劃定機械防泄漏面狀態的衡量條件。當其處于干摩擦狀態時，商值比0.4要小；當其處于邊界摩擦狀態時，其大于0.4且小于1，當其出于液體摩擦狀態時，其商值比3大；當其處于混合摩擦狀態時，其商值恰好處于大于1小于3的范圍。

（2）圖表公式是來劃分狀態的有力武器，密封端面的凹凸不平面的深度與壓力有一定的相關性，我們可以運用作圖在坐標紙上畫出關系曲線，可以直觀地把各個狀態劃分出來。

（3）直接利用摩擦因數來比較，我們通過實驗獲得在各個摩擦狀態下的摩擦因數，可以直接根據具體情況給定的摩擦因數來判斷摩擦狀態是上述四種狀態中的哪一種。

（4）利用相似準數來判斷：流體膜的載重能力是可以用相似準數來衡量的，它可以表現摩擦特性，在機械防泄漏面的受力中，我們首當其沖地要考慮總承載能力和流體膜間的連接力。所謂的相似準數其實是兩者的比值。而且比值的數量級相差很大，判斷摩擦狀態就更加明了。

4、機械防泄漏性能的好壞與摩擦狀態有著相當深刻的關系

（1）流體膜的形成過程是與摩擦狀態相對應的。在機械端面表面粗糙不平或者高溫變形的條件下，會導致微凸體的空隙間有流體膜。

（2）摩擦狀態可以決定機械密封性能的好壞，如：干摩擦狀態由于是固體與固體間的作用，所以在此情況下機械的防泄漏性并不好。而混合摩擦因為具備了固體，流體靜、動力的作用，所以是普通機械防泄漏時的最佳狀態。

5、結束：

通過我們對機械防泄漏面狀態的研究，我們得到了一個共識，機械防泄漏面狀態在機械運轉過程中相當重要。我們可以根據機械防泄漏面的性能優劣來判斷摩擦狀態，同時也可以用機械防泄漏面的摩擦狀態來決定機械性能好壞。機械摩擦狀態四大類的形成原理都各不相同，主要與流體膜的受力情況有關。而四大摩擦狀態在機械運轉中扮演的角色都不盡相同。機械防泄漏有普通的一般性要求，也有較高的密封性要求。由于干摩擦和流體摩擦對連接膜都有一定的磨損，所以在面對普通機械防泄漏要求時就顯得有些不足，混合摩擦狀態取長補短，是普通機械防泄漏的不二選擇。

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